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Numerische Simulation von unbewehrten und textilverstärkten Mauerwerksscheiben unter zyklischer Belastung = Numerical simulation of unreinforced and textile strengthened masonry shear walls under cyclic loading



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ines Kalker

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangXV, 183 S. : Ill., graph. Darst.


Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007


Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter


Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-01-31

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-18798
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62304/files/Kalker_Ines.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik (311810)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mauerwerk (Genormte SW) ; Verstärkung (Genormte SW) ; Erdbeben (Genormte SW) ; Finite-Elemente-Methode (Genormte SW) ; Makrosimulation (Genormte SW) ; Gewebe <Textilien> (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Textil (frei) ; Vulnerabilität (frei) ; Nichtlineare Finite-Elemente-Methode (frei) ; zyklisches Makromodell (frei) ; masonry (frei) ; textile (frei) ; strengthening (frei) ; vulnerability (frei) ; earthquake (frei) ; non-linear finite element method (frei) ; cyclic macro model (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Seit Jahrtausenden errichtet der Mensch Bauwerke zum Schutz vor Einwirkungen der Natur. Dabei entwickelte sich früh die wohl einfachste Art des Bauens: mehr oder minder bearbeitete Steine werden aufeinander geschichtet, Mörtel, Lehm oder ein anderes Bindemittel, das zwischen die Steine eingebracht wird, hält sie in ihrer Position und stellt die Kraftweiterleitung in den Baugrund sicher. Nahezu alle historischen Bauten in den verschiedensten Ländern der Welt wurden auf diese Art und Weise errichtet. Zweifelsfrei hat sich der Mauerwerksbau über die Jahrhunderte immer weiter entwickelt, so dass durch Optimierung der Steinform, der Steinart, des verwendeten Bindemittels und vieler anderer Faktoren heute große Festigkeiten erreicht werden können. Mauerwerk ist auf Grund der guten Druckfestigkeitseigenschaften vorrangig für die Abtragung vertikaler Lasten infolge Eigengewicht und Nutzlasten geeignet. Die Aufnahme von Horizontalkräften ist jedoch auf Grund der geringen Zugfestigkeit stark eingeschränkt. Besonders problematisch ist die Aufnahme von Horizontalkräften infolge Erdbeben, da es sich bei Mauerwerk um einen spröden Baustoff mit geringer Duktilität handelt. Trotz dieser Eigenschaften war und ist Mauerwerk aufgrund der lokalen Verfügbarkeit und der hervorragenden Wärmedämmeigenschaften in vielen erdbebengefährdeten Ländern noch immer die vorherrschende Bauweise. Eine Möglichkeit, die Kapazität von Mauerwerksbauten unter Erdbebenbelastung entscheidend zu verbessern, ist die Ertüchtigung von Mauerwerk mit flächenhafter textiler Verstärkung. Textile Verstärkungen erhöhen die Mauerwerkszugfestigkeit und -duktilität, ohne das Mauerwerk mit großem zusätzlichem Gewicht zu belasten. Ein weiterer Vorteil ist der flexible Einsatz auf bestehende und neu zu errichtende Mauerwerksbauten. Obwohl die Effektivität textiler Verstärkungen bekannt ist, existieren bislang keine geeigneten numerischen Modelle für die Berechnung der Kapazität von textilverstärkten Mauerwerksschubwänden unter zyklischen und dynamischen Belastungen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein verschmiertes Modell entwickelt, um Mauerwerk, welches durch ein in Zementmörtelmatrix eingebettetes bidirektionales Textilgewebe mit variabler Orientierung verstärkt wird, abzubilden. Das spröde, nichtlineare Mauerwerksverhalten wird mit Hilfe eines zyklischen zweidimensionalen nichtlinearen Makromodells beschrieben, welches auf dem Prinzip der äquivalenten einachsigen Dehnung von DARWIN and PECKNOLD basiert. Die Grundidee dieses Konzeptes ist die entkoppelte Formulierung der zweiaxialen Spannungs-Dehnungs-Beziehung für jede Hauptspannungsrichtung. Der aktuelle Spannungszustand ist daher nicht nur vom momentanen Dehnungszustand sondern auch von der Belastungsgeschichte abhängig. Hauptvorteile dieser Formulierung sind die Anwendbarkeit für zyklische Belastung sowie die Verwendung von einaxialen Materialparametern und Spannungs-Dehnungs-Beziehungen, welche durch einfache einaxiale Versuche bestimmt werden können. Das verwendete Versagenskriterium definiert die zweiaxialen Zug- und Druckfestigkeiten als Funktionen des Hauptspannungsverhältnisses für verschiedene Lagerfugenorientierungen. Versagt das verstärkte Mauerwerk auf Zug, so wird der Tension-Stiffening-Effekt infolge des Mitwirkens des Mauerwerks zwischen den Rissen mit Hilfe einer modifizierten Textilkennlinie abgebildet. Die nichtlineare Kennlinie wird als Polygon approximiert, dessen Stützstellen durch die mittlere Textildehnung zwischen zwei Rissen und die korrespondierende Textilspannung im Riss für verschiedene Rissbildungsgrade definiert werden. Der mittlere Rissabstand wird in Abhängigkeit von der Einleitungslänge unter Berücksichtigung der Streuung der Mauerwerkszugfestigkeit für einen bestimmten Rissbildungsgrad nach KRELLER ermittelt. Die resultierende Textilrissspannung wird mittels Kräftegleichgewichtsbetrachtungen am Risselement unter Berücksichtung des Winkels zwischen Verstärkungsrichtung und Rissorientierung ermittelt. Die Anwendung des in das FE-Softwareprogramm ANSYS implementierten Modells wurde durch die Simulation von unbewehrten und textilverstärkten Mauerwerksschubwänden gezeigt. Die Berechnungen wurden an vertikal und horizontal belasteten Wänden unterschiedlicher Geometrien durchgeführt. Wie die Simulationen gezeigt haben, ist das Materialmodell in der Lage, die für die Mauerwerkswände charakteristischen Versagensarten abzubilden. Auch die Abhängigkeit zwischen Versagensmechanismus und Materialduktilität wird dabei widergespiegelt. Insgesamt konnte die Gültigkeit des Modells für verschiedene Mauerwerksarten gezeigt werden.

For thousands of years man kind puts up buildings to protect himself against exposition to nature. In this course the simplest way to construct has been developed very early: more or less shaped stones are layered on top of each other. Mortar, clay or other matrix materials are inserted between the stones to keep them in their position and assure the distribution of forces to the foundation. Worldwide almost all historical buildings have been constructed in this way. Doubtlessly masonry construction has developed over the millennia/ centuries so that nowadays high strengths can be reached by optimising form and type of the stones as well as the applied matrix and many other factors. As a result of high compression strength masonry is suitable for bearing vertical loads applied by dead and live load. Horizontal load transfer however is extremely limited due to the low tensile strength of the material. Earthquake loads are particularly problematical as masonry is a brittle material with only low ductility. In spite of these characteristics masonry was and still is the prevailing construction method in many seismic vulnerable countries because of local availability and excellent thermal insulation. One possibility to improve the seismic capacity of masonry is laminar textile strengthening, enlarging the masonry’s tensile strength and ductility without charging the masonry with additional weight. Another advantage is the flexible application on existing and designed masonry buildings. Although the effectiveness of textile strengthening is well known so far no suitable numerical models for calculating the capacity of textile strengthened masonry shear walls exist. In the present paper a smeared model is developed in order to simulate masonry strengthened with a bidirectional textile fabric with variable orientation in a matrix of cementitious mortar. The brittle, non-linear material behaviour is described by a cyclic two-dimensional non-linear macro model which is based on the principal of equivalent uniaxial strain according to DARWIN and PECKNOLD. The idea of this concept is the decoupled formulation of the biaxial stress-strain-relationship for each principle stress direction. Then the current stress state depends not only on the present strain state but also on the load history. The main advantage of this formulation is the applicability for cyclic loading as well as the application of uniaxial material parameters and stress-strain-relationships which can be determined by simple uniaxial tests. The failure criterion defines the biaxial tensile and compression strengths as functions of the principle stress ratio for different bed joint orientations. If the strengthened masonry fails in tension the tension stiffening effect due to participation of the masonry between the cracks is calculated using a modified textile characteristic. The non-linear characteristic is approximated as a polygon whose sampling points are defined by the average textile strain between the cracks and the corresponding textile stress within the crack for different degrees of crack initiation. The average crack distance is calculated depending on the transfer length regarding the distribution of the masonry’s tensile strength for a certain degree of crack initiation according to KRELLER. The resulting textile stress within the crack is determined by the equilibrium of forces of the crack element considering the angle between strengthening direction and crack orientation. The applicability of the model implemented into the FE software program ANSYS is shown by simulation of unreinforced and textile strengthened masonry shear walls. The calculations have been made for vertically and horizontally loaded walls with different geometries. The simulations show that the model is able to represent the characteristic failure modes of masonry shear walls. Also the dependency between failure mode and material ductility is demonstrated. All in all the validity of the model for different masonry types can be demonstrated.

Fulltext:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
German

Externe Identnummern
HBZ: HT015213820

Interne Identnummern
RWTH-CONV-123879
Datensatz-ID: 62304

Beteiligte Länder
Germany

 GO


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The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Civil Engineering (Fac.3)
Publication server / Open Access
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Publications database
311810

 Record created 2013-01-28, last modified 2022-04-22


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